CN117028741A - 一种适用于大高度差主支管的巡检机器人及巡检方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种适用于大高度差主支管的巡检机器人及巡检方法，包括伸缩装置；伸缩装置包括伸缩杆、起倒驱动单元、起倒支撑单元；伸缩杆固定在固定座上；起倒驱动单元包括驱动件、移动件；移动件包括固定于行走机构上的齿条，两个齿轮与两条齿条啮合；起倒支撑单元包括旋转臂；旋转臂一端转动固定在行走机构上，另一端与固定座转动固定。本发明的伸缩杆相较于传统剪叉形伸缩架，在同等伸展量的情况下，伸缩杆放倒后机器人整体高度更低，更加适合直径小的管道，且伸缩杆的伸展量时，柱状垂直伸展对于竖井的管径要求低，伸展过程中不会因触碰管壁而造成机械损伤，另外伸缩杆式结构伸展量能够做到高达十几米，满足主支管大高度差的特性。

Description

一种适用于大高度差主支管的巡检机器人及巡检方法

技术领域

本发明涉及换流变排油系统管网巡检技术领域，具体来说是一种适用于大高度差主支管的巡检机器人及巡检方法。

背景技术

换流变主动排油系统排出的绝缘油及消防灭火介质无法及时排入事故排油管网，集油坑积液可能会造成变压器油混合物漂浮在积液的表面，从而流向换流变广场，造成安全隐患和环境风险。同时，事故排油系统管网内部环境尚无定期检查的有效措施，对火灾场景下畅通性无法进行评估。特高压换流站事故排油管网与普通的市政排水管道不同，其主要是用于换流站内发生火灾时排污排水排油用。管网内部结构及分布也存在特殊性，如图8所示，主管道多段布置，支管沿各段竖井接入主管道，多段主管整体分布趋势呈一定角度下延，同时部分段主管连接位置存在断崖式分布，支管通过各段竖井接入主管也存在不同的高度差，在进行畅通性检测时，需同时对主管及支管部分同时进行畅通性检测。

现有管道机器人主要检测市政管道内部情况，市政管网极少存在支管与主管高度差较大的情况，在极少数存在这种高度差情况下，也可通过支管的竖井将机器人放入进行检测。换流站系统管网支管一端与换流变水冷散热池连接，一端则与检查井连接，支管本身不存在单独的检查井，机器人只能在检测主管内部情况的同时能够检测支管内部情况。这就只要机器人本身有单独检测支管内部情况的功能，同时支管检测装置能针对不同高度差的支管进行高度调节，进而顺利检测系统管网所有支管内部情况。

如公布号为CN114992426A公开的一种针对深淤积高水位的机器人检测装置和方法，该装置在壳体顶部安装有云台架，在高水位段，通过打开云台架抬升固定于云台架顶部的声呐。该装置中的云台架类似于剪叉升降架，如果需要较大高度抬升时，需要多层剪叉堆叠，导致机器人体积和高度较大，无法适应直径约60cm的换流变排油系统管网。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于如何针对高度差较大且管径小的主支管巡检困难。

本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：

一种适用于大高度差主支管的巡检机器人，包括行走机构、监控系统；所述监控系统布置在行走机构上；还包括伸缩装置；所述伸缩装置包括伸缩杆、起倒驱动单元、起倒支撑单元；所述伸缩杆固定在固定座上；所述起倒驱动单元包括驱动件、移动件；所述驱动件固定在固定座上，驱动件的两个输出轴安装有齿轮；所述移动件包括固定于行走机构上的齿条，两个齿轮与两条齿条啮合；所述起倒支撑单元包括旋转臂；所述旋转臂一端转动固定在行走机构上，另一端与固定座转动固定；所述驱动件启动后，通过齿轮与齿条的啮合，以及旋转臂的支撑作用，使固定座沿齿条方向作直线运动，从而带动伸缩杆起倒。

本发明的伸缩杆相较于传统剪叉形伸缩架，在同等伸展量的情况下，伸缩杆放倒后机器人整体高度更低，更加适合直径小的管道，且伸缩杆的伸展时，柱状垂直伸展对于竖井的管径要求低，伸展过程中不会因触碰管壁而造成机械损伤，另外伸缩杆式结构伸展量能够做到高达十几米甚至更高，满足主支管大高度差的特性。

进一步的，所述伸缩杆为气动伸缩杆，包括密封套接的多个杆件；其尾部与进气单元密封固定；所述进气单元与气泵连接。

进一步的，所述伸缩装置还包括复位单元，所述复位单元包括拉绳、收线电机、拉绳盘；所述拉绳一端从伸缩杆尾部穿入，与伸缩杆顶部固定，另一端卷绕在拉绳盘上，所述收线电机驱动拉绳盘收放线。

进一步的，所述拉绳的一端自所述进气单元进入伸缩杆内。

进一步的，所述复位单元固定在伸缩杆尾部，密封于外壳内；所述外壳开有拉绳出口，拉绳出口与进气单元的拉绳进口之间通过拉绳套管密封连接。

进一步的，在所述行走机构上固定有两立板，两立板位于伸缩装置的两侧，两立板上对称开有导槽，所述驱动件的两输出轴分别限位在导槽内。

进一步的，所述齿条位于立板内侧，所述齿轮的外侧固定有滑动轴，所述滑动轴与导槽滑动配合。

进一步的，所述行走机构包括左右对称设置并独立驱动的两个行走单元、行走躯干；所述行走单元包括主动轮、从动轮、跃障轮、驱动电机，驱动电机固定在行走躯干上，驱动电机通过直齿锥齿轮传动驱动主动轮，主动轮与从动轮通过皮带传动；所述跃障轮位于主动轮和从动轮之间，且直径小于主动轮、从动轮；在所述行走躯干内侧固定有涨紧轮，所述皮带绕过涨紧轮与跃障轮的齿轮传动配合。

进一步的，当在平地时，主动轮和从动轮着地，跃障轮悬空。当有障碍物时，从动轮跨越障碍物后，跃障轮与障碍物接触，即使从动轮被障碍物顶起悬空时，跃障轮能够辅助主动轮跨越障碍物。

与上述机器人对应的，本发明还提供一种适用于大高度差主支管的巡检机器人巡检方法，包括以下步骤：

在井上将机器人组装、检测完毕，从竖井将机器人吊装到主管道内，然后启动行走机构，机器人前端摄像头可向地面实时传播主管内情况，如果遇到转弯处，可通过独立驱动左右侧行走单元完成转弯；根据机器人雷达判断机器人到达下一个竖井时，调整机器人位置，使其位于竖井中央，然后启动驱动件，将伸缩杆竖起，启动气泵，让伸缩杆伸长，根据伸缩杆顶部摄像器判断伸缩杆高度是否到达支管位置，当到达支管位置后开始对支管内部环境进行拍照检测；检测完毕后，打开电磁阀排放伸缩杆内气体，并启动拉绳收卷电机回收拉绳，当拉绳回收量等于伸长量，则判定伸缩杆收缩完毕，然后驱动件反转，即可将伸缩杆放倒，至此该支管检测完毕，机器人继续前进检测，直至遍历所有支管。

本发明的优点在于：

本发明的伸缩杆相较于传统剪叉形伸缩架，在同等伸展量的情况下，伸缩杆放倒后机器人整体高度更低，更加适合直径小的管道，且伸缩杆的伸展量时，柱状垂直伸展对于竖井的管径要求低，伸展过程中不会因触碰管壁而造成机械损伤，另外伸缩杆式结构伸展量能够做到高达十几米，满足主支管大高度差的特性。支撑单元可为伸缩杆起倒时提供支点，既能使其抬升，又能保证其抬升后的稳定性。

本发明中采用齿条和齿轮配合，以及限位槽的限位，可保证伸缩杆起倒时的稳定性。

本发明的伸缩杆采用气动驱动，同时配套设计拉绳式复位，气动式驱动在管道内更加容易实现(油顶需要接油管等)，使得机器人重量更轻，结构简单；拉绳式复位仅需要一台电机和一个编码器即可实现复位，结构简单易装配，进一步降低机器人重量和体积。复位单元整体采用密封结构，通过密封套管连接气路板，从而使复位单元内腔和气路板密封连通起来，拉绳从密封套管穿入，既满足拉绳的收放动作，又达到密封效果。

附图说明

图1为本发明实施例中机器人的侧面结构示意图；

图2为本发明实施例中机器人的轴侧结构示意图；

图3为本发明实施例中机器人隐藏复位单元外壳的结构示意图；

图4为图3的另一视角结构示意图；

图5为本发明实施例中机器人中伸缩杆竖起时的结构示意图；

图6为本发明实施例中机器人行走机构的结构示意图；

图7为本发明实施例中机器人右侧行走单元的结构示意图；

图8为本发明背景技术中介绍的应用场景结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本实施例公开一种适用于大高度差主支管的巡检机器人，如图1所示，包括行走机构1、监控系统2；监控系统2布置在行走机构1上；还包括伸缩装置的具体结构为：

如图1、图5所示，伸缩装置包括伸缩杆3、起倒驱动单元4、起倒支撑单元5、复位单元7。本实施例中，伸缩杆3为由多节不同直径的中空杆件依次密封套接而成，最内层杆件顶部为盲端。摄像机21通过云台22固定在伸缩杆3的顶部。伸缩杆3的尾部固定在固定座31上；固定座31大体为长方体结构，为其他部件提供安装基础。

起倒驱动单元4包括驱动件41(可以为电机驱动)、移动件；驱动件41固定在固定座31的尾部，本实施例中驱动件41固定在固定座31尾部的下方。驱动件41具有两个输出轴，两个输出轴垂直于伸缩杆3。两个输出轴端部安装有齿轮42；移动件包括固定于行走机构1上的齿条43，齿条43为两个，分别位于固定座31两侧，两个齿轮42与两条齿条43啮合。起倒支撑单元5包括旋转臂51；旋转臂51一端转动固定在行走机构1的前端，另一端与固定座31的前端转动固定；驱动件41启动后，通过齿轮42与齿条43的啮合，以及旋转臂51的支撑作用，使固定座31沿齿条43方向作直线运动，从而带动伸缩杆3起倒。本实施例中，为了伸缩杆3稳定起倒，旋转臂51设计有两根，在行走机构1上固定有转轴52，两根旋转臂51的一端通过轴承与转轴52的两端转动连接，两个旋转臂51的另一端分别转动连接在固定座31的两侧，为起倒动作提供稳定的支撑。

如图2、图3所示，本实施例中，进一步的在行走机构1上固定有两立板44，两立板44位于伸缩装置的两侧；两立板44上对称开有导槽441，驱动件41的两输出轴分别限位在导槽441内。具体的，齿条43位于立板44内侧，齿轮42的外侧固定有滑动轴，滑动轴与导槽441滑动配合。当驱动件41启动后，在齿轮42与齿条43啮合作用下，以及旋转臂51的支撑作用、导槽441的导向作用，迫使固定座31沿导槽441做直线运动，从而带动伸缩杆3起倒。本实施例中，当伸缩杆3完全抬起时，正好位于行走机构1的中央位置，这样地面工作人员根据行走机构1的定位(通过行走机构1上配置的雷达定位)，可尽量保证伸缩杆3伸展后摄像机21位于竖井的中间位置，便于伸缩杆3顶部摄像机21拍摄支管内部情况。

本实施例中，伸缩杆3采用气动驱动，具体结构为：如图4所示，在伸缩杆3尾部密封固定进气单元6，进气单元6与气泵连接，气泵固定在行走机构1上。进气单元6包括电磁阀61、气压表62、气路板63，气路板63与伸缩杆3尾部密封固定，电磁阀61、气压表62均固定在气路板63上，气路板63上开有进气口，进气口与气泵连通。气压表62用于检测当前伸缩杆3内气压，电磁阀61用于排气。气压表62和电磁阀61可通过地面工作台进行控制和收集信息。气路板63与伸缩杆3尾部的密封固定结构为常规结构，在此不再详述。

由于伸缩杆3采用高气压打开，所以需要通过复位单元7使其复位。复位单元7固定在伸缩杆3尾部，包括拉绳、收线电机71、拉绳盘72、编码器73；拉绳一端从伸缩杆3尾部穿入，与伸缩杆3顶部固定，另一端卷绕在拉绳盘72上，收线电机71驱动拉绳盘72收放线，编码器73用于检测拉绳的收放量。本实施例中，拉绳的一端自气路板63的拉绳进口进入伸缩杆3内。为了气路板63的密封性，本实施例将复位单元7整体密封在外壳内，外壳固定在伸缩杆3尾部。外壳开有拉绳出口，外壳的拉绳出口和气路板63的拉绳进口之间通过拉绳套管密封连接(图中未示出)，拉绳通过密封套管进入进气单元6，这样保证进气单元6的密封性。当伸缩杆3打开时，通过伸缩杆3顶部摄像机21观察是否到达支管位置，当到达支管后，编码器73记录拉绳的伸长量。伸缩杆3复位时，启动收线电机71，此时编码器73记录拉绳收回量，当收回量等于伸长量时，说明伸缩杆3复位结束，启动驱动件41倒转，即可将伸缩杆3放倒。本实施例中，外壳分为上下两部分，上下两部分的安装面采用密封装配，装配后包裹在伸缩杆尾部。

本实施例中，复位单元7、进气单元6、驱动件41、固定座31的位置关系可有多种组合形式，图中所示，复位单元7位于固定座31上方，驱动件41位于固定座31下方。只要能满足起倒功能及伸缩杆3伸展复位即可。

本实施例中，在行走机构1的前后均安装有摄像机21、雷达。在行走机构1的尾部还固定有线缆连接件8，线缆连接件8通过螺杆或焊接等方式固定在行走机构1尾部，线缆连接件8与线缆的一端固定，线缆另一端位于地面，主要为机器人在管道内前进或返回时提供恒张力进行拖拽，以及信号的传输。

本实施例的行走机构1具体结构为：如图6所示，行走机构1包括行走躯干11、右侧行走单元、左侧行走单元；左右侧行走单元对称固定在行走躯干11的两侧，两行走单元独立驱动，以右侧行走单元为例介绍具体结构。

如图7所示，右侧行走单元包括主动轮12、从动轮13、跃障轮14、驱动电机15，驱动电机15固定在行走躯干11上，驱动电机15通过直齿锥齿轮42传动驱动主动轮12，主动轮12与从动轮13通过皮带传动。跃障轮14位于主动轮12和从动轮13之间，且直径小于主动轮12、从动轮13。在行走躯干11内侧固定有涨紧轮，皮带绕过涨紧轮与跃障轮14的齿轮42传动配合。当在平地时，主动轮12和从动轮13着地，跃障轮14悬空。当有障碍物时，从动轮13跨越障碍物后，跃障轮14与障碍物接触，即使从动轮13被障碍物顶起悬空时，跃障轮14能够辅助主动轮12跨越障碍物。本实施例中，左右侧行走单元独立驱动，便于在管道内转向。行走躯干11整体为长方体密封结构。主动轮12、从动轮13、跃障轮14的转轴处均作旋转密封处理，避免水进入行走躯干11内损坏驱动电机15等部件。伸缩装置固定在行走躯干11的顶部。

基于上述机器人，其工作原理为：

在井上将机器人组装、检测完毕，从竖井将机器人吊装到主管道内，然后启动行走机构1，机器人前端摄像头可向地面实时传播主管内情况，如果遇到转弯处，可通过独立驱动左右侧行走单元完成转弯。根据机器人雷达判断机器人到达下一个竖井时，调整机器人位置，使其位于竖井中央，然后启动驱动件41，将伸缩杆3竖起，然后启动气泵，让伸缩杆3伸长，根据伸缩杆3顶部摄像器判断伸缩杆3高度是否到达支管位置，当到达支管位置后开始对支管内部环境进行拍照检测。检测完毕后，打开电磁阀61排放伸缩杆3内气体，并启动拉绳收卷电机回收拉绳，当拉绳回收量等于伸长量，则判定伸缩杆3收缩完毕，然后倒转驱动件41，即可将伸缩杆3放倒，至此该支管检测完毕，机器人继续前进检测，直至遍历所有支管。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种适用于大高度差主支管的巡检机器人，包括行走机构(1)、监控系统(2)；所述监控系统(2)布置在行走机构(1)上；其特征在于，还包括伸缩装置；所述伸缩装置包括伸缩杆(3)、起倒驱动单元(4)、起倒支撑单元(5)；所述伸缩杆(3)固定在固定座(31)上；所述起倒驱动单元(4)包括驱动件(41)、移动件；所述驱动件(41)固定在固定座(31)上，驱动件(41)的两个输出轴安装有齿轮(42)；所述移动件包括固定于行走机构(1)上的齿条(43)，两个齿轮(42)与两条齿条(43)啮合；所述起倒支撑单元(5)包括旋转臂(51)；所述旋转臂(51)一端转动固定在行走机构(1)上，另一端与固定座(31)转动固定；所述驱动件(41)启动后，通过齿轮(42)与齿条(43)的啮合，以及旋转臂(51)的支撑作用，使固定座(31)沿齿条(43)方向作直线运动，从而带动伸缩杆(3)起倒。

2.根据权利要求1所述的一种适用于大高度差主支管的巡检机器人，其特征在于，所述伸缩杆(3)为气动伸缩杆(3)，包括密封套接的多个杆件；其尾部与进气单元(6)密封固定；所述进气单元(6)与气泵连接。

3.根据权利要求2所述的一种适用于大高度差主支管的巡检机器人，其特征在于，所述伸缩装置还包括复位单元(7)，所述复位单元(7)包括拉绳、收线电机(71)、拉绳盘(72)；所述拉绳一端从伸缩杆(3)尾部穿入，与伸缩杆(3)顶部固定，另一端卷绕在拉绳盘(72)上，所述收线电机(71)驱动拉绳盘(72)收放线。

4.根据权利要求3所述的一种适用于大高度差主支管的巡检机器人，其特征在于，所述拉绳的一端自所述进气单元(6)进入伸缩杆(3)内。

5.根据权利要求3或4所述的一种适用于大高度差主支管的巡检机器人，其特征在于，所述复位单元(7)固定在伸缩杆(3)尾部，密封于外壳内；所述外壳开有拉绳出口，拉绳出口与进气单元(6)的拉绳进口之间通过拉绳套管密封连接。

6.根据权利要求1至4任一所述的一种适用于大高度差主支管的巡检机器人，其特征在于，在所述行走机构(1)上固定有两立板(44)，两立板(44)位于伸缩装置的两侧，两立板(44)上对称开有导槽(441)，所述驱动件(41)的两输出轴分别限位在导槽(441)内。

7.根据权利要求6所述的一种适用于大高度差主支管的巡检机器人，其特征在于，所述齿条(43)位于立板(44)内侧，所述齿轮(42)的外侧固定有滑动轴，所述滑动轴与导槽(441)滑动配合。

8.根据权利要求1至4任一所述的一种适用于大高度差主支管的巡检机器人，其特征在于，所述行走机构包括左右对称设置并独立驱动的两个行走单元、行走躯干(11)；所述行走单元包括主动轮(12)、从动轮(13)、跃障轮(14)、驱动电机(15)，驱动电机(15)固定在行走躯干(11)上，驱动电机(15)通过直齿锥齿轮(42)传动驱动主动轮(12)，主动轮(12)与从动轮(13)通过皮带传动；所述跃障轮(14)位于主动轮(12)和从动轮(13)之间，且直径小于主动轮(12)、从动轮(13)；在所述行走躯干(11)内侧固定有涨紧轮，所述皮带绕过涨紧轮与跃障轮(14)的齿轮(42)传动配合。

9.一种适用于大高度差主支管的巡检机器人巡检方法，其特征在于，包括以下步骤：

在井上将机器人组装、检测完毕，从竖井将机器人吊装到主管道内，然后启动行走机构(1)，机器人前端摄像头可向地面实时传播主管内情况；根据机器人雷达判断机器人到达下一个竖井时，调整机器人位置，使其位于竖井中央，然后启动驱动件(41)，将伸缩杆(3)竖起，启动气泵，让伸缩杆(3)伸长，根据伸缩杆(3)顶部摄像器判断伸缩杆(3)高度是否到达支管位置，当到达支管位置后开始对支管内部环境进行拍照检测；检测完毕后，打开电磁阀61排放伸缩杆(3)内气体，并启动拉绳收卷电机回收拉绳，当拉绳回收量等于伸长量，则判定伸缩杆(3)收缩完毕，然后驱动件(41)反转，即可将伸缩杆(3)放倒，至此该支管检测完毕，机器人继续前进检测，直至遍历所有支管。

10.根据权利要求9所述的一种适用于大高度差主支管的巡检机器人巡检方法，其特征在于，如果遇到转弯处，通过独立驱动左右侧行走单元完成转弯。